1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
EXTENSIÓN SAN FELIPE
AMPLIFIFICADOR OPERACIONAL
Bachiller:
Josué Ochoa
CI: 19712919
JUNIO 2016
2. Amplificador operacional:
El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual
tiene capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida
por el fabricante; tiene además límites de señal que van desde el orden de los
nV, hasta unas docenas de voltio (especificación también definida por el
fabricante). Los amplificadores operacionales se caracterizan por su entrada
diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105 equivalentes
a 100dB.
El primer A.O. data de los años 1960, era el Fairchild UA-709 que más tarde
sería sustituido por el popular 741 fabricado por numerosas empresas y basado
en tecnología bipolar. Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones
matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc)
en calculadoras analógicas. De ahí su nombre.
El amplificador operacional es un amplificador de alta ganancia, con
acoplamiento directo, formado por varias etapas: etapa de entrada, que ofrece
una resistencia de entrada alta con cierta cantidad de ganancia en voltaje; una
etapa intermedia, que produce una ganancia de voltaje alta y una etapa de
salida, que proporciona una resistencia de salida baja.
Trabaja con un voltaje diferencial entre dos terminales de entrada, a menudo es
llamado circuito integrado (CI) lineal o analógico, es un circuito integrado muy
versátil que sirve que sirve como bloque básico en muchos circuitos electrónicos.
Las características del AO ideal son:
- Ganancia de tensión en lazo abierto (A0) infinita.
- Impedancia de entrada (Ze) infinita.
- Impedancia de salida (Zs) cero.
3. Configuraciones del Amplificador Operacional
1. Comparador
Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos
entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se
puede usar para adaptar niveles lógicos.
2. Seguidor
Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la
entrada.
Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar
impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja
impedancia y viceversa)
Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísima, la
de salida prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder
leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no
afecte apenas a la medición. De hecho, es un circuito muy recomendado
para realizar medidas de tensión lo más exactas posibles, pues al medir
la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el
voltímetro y la tensión a la entrada del voltímetro dependerá de la relación
entre la resistencia del voltímetro y la resistencia del resto del conjunto
formado por sensor, cableado y conexiones.
Por ejemplo, si la resistencia interna del voltímetro es Re (entrada del
amplificador), la resistencia de la línea de cableado es Rl y la resistencia
interna del sensor es Rg, entonces la relación entre la tensión medida por
4. el voltímetro (Ve) y la tensión generada por el sensor (Vg) será la
correspondiente a este divisor de tensión:
Además, cuanto mayor sea la intensidad que circula por el sensor, mayor
será el calentamiento del sensor y del resto del circuito por efecto Joule,
lo cual puede afectar a la relación entre la tensión generada por el sensor
y la magnitud medida.
3. Inversor
Se denomina inversor ya que la señal de salida es igual a la señal de
entrada (en forma) pero con la fase invertida 180 grados.
El análisis de este circuito es el siguiente: V+ = V- = 0
Definiendo corrientes:
y de aquí se despeja
Para el resto de circuitos el análisis es similar.
Zin = Rin.
Por lo cual podemos controlar la impedancia de entrada mediante la
elección de Rin.
Esta configuración es una de las más importantes, porque gracias a esta
configuración, se puede elaborar otras configuraciones, como la
5. configuración del derivador, integrador, sumador. En sistemas
microelectronicos se puede utilizar como buffer, poniendo 2 en cascada.
4. No inversor
Como observamos, el voltaje de entrada, ingresa por el pin positivo, pero
como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy
grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo,
conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular, la relación que
existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de
un pequeño divisor de tensión.
Zin = ∞, lo cual nos supone una ventaja frente al amplificador inversor.
5. Sumador
Podemos usar el amplificador operacional para sumar varias señales, con
su masa común. Un amplificador de este tipo se denomina amplificador
sumador. Amplificadores de este tipo se encuentran en cualquier mesa de
mezclas.
La forma básica del sumador inversor es:
Si se fijan un poco verás que no es más que un amplificador inversor con
dos entradas, y, por lo tanto, con dos resistencias de entrada. Para facilitar
el análisis pondremos estas dos resistencias iguales (R1).
V1 y V2 representan las señales de entrada. El circuito se analiza igual
que el amplificador inversor con la diferencia que aquí la I3 es la suma de
las corrientes I1 e I2:
I3 = I1 + I2
Calculamos I1:
V1 = I1 * R1
I1 = V1 / R1
6. Calculamos I2:
V2 = I2 * R1
I2 = V2 / R1
Igualando I3 = I1 + I2:
I3 = I1 + I2
I3 = V1/R1 + V2/R1
I3 = (V1+V2) / R1
Pero por otra parte podemos calcular también I3, como la corriente que
pasa por R3 con una tensión de 0 - Vout = -Vout:
-Vout = I3 * R3
I3 = -Vout / R3
Sustituyendo este valor de I3 en la ecuación antes obtenida tenemos que:
-Vout / R3 = (V1+V2) / R1
Vout = -(R3/R1) * (V1+V2)
Esta ecuación nos dice que la salida será la suma de las dos entradas
multiplicadas por un número: Av = -(R3/R1). Puedes ponerle todas las
entradas que quieras y la salida será la suma de todas las entradas por
Av.
6. Diferenciador
El amplificador diferencial básico tiene 2 entradas V1 y V2.
El amplificador diferencial básico tiene 2 entradas V1 y V2. Si la tensión
de V1 aumenta, la corriente del emisor del transistor Q1 aumenta
(acordarse que IE = BxIB), causando una caída de tensión en Re.
Si la tensión de V2 se mantiene constante, la tensión entre base y emisor
del transistor Q2 disminuye, reduciéndose también la corriente de emisor
del mismo transistor. Esto causa que la tensión de colector de Q2 (Vout+)
aumente.
La entrada V1 es la entrada no inversora de un amplificador operacional.
Del mismo modo cuando la tensión en V2 aumenta, también aumenta la
7. corriente de colector del transistor Q2, causando que la tensión de
colector del mismo transistor disminuya. (Vout+) disminuye.
La entrada V2 es la entrada inversora del amplificador operacional. Si el
valor de la resistencia RE fuera muy grande, obligaría a la suma de las
corrientes de emisor de los transistores Q1 y Q2, a mantenerse constante,
comportándose como una fuente de corriente
Entonces, al aumentar la corriente de colector de un transistor, disminuirá
la corriente de colector del otro transistor. Por eso cuando la tensión V1
crece, la tensión en V2 decrece.
7. Restador
Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4:
Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias
iguales.
La impedancia diferencial entre dos entradas es Zin = R1 + R2
Cabe destacar que este tipo de configuración tiene una resistencia de
entrada baja en comparación con otro tipo de restadores como por
ejemplo el amplificador de instrumentación.
8. Integrador
Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del
tiempo)
8. V inicial es la tensión de salida en el origen de tiempos.
Nota: El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que
cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el
capacitor hasta saturarlo por completo. Este circuito se usa de forma
combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en
variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema)
donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su
capacitor.
9. Derivador
Deriva e invierte la señal respecto al tiempo
Este circuito también se usa como filtro.
Nota: Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable.
Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se
termina amplificando mucho el ruido.
10.Filtro
Los filtros activos se diferencian de los filtros comunes, en que estos
últimos son sólo combinación de resistencias, capacitores e inductores.
En un filtro común, la salida es de menor magnitud que la entrada.
En cambio, los filtros activos se componen de resistores, capacitores y
dispositivos activos como Amplificadores Operacionales o transistores.
En un filtro activo la salida puede ser de igual o de mayor magnitud que la
entrada.
9. El filtro Pasa Banda tiene la siguiente curva de respuesta de frecuencia.
Dejará pasar todas las tensiones de la señal de entrada que tengan
frecuencias entre la frecuencia de corte inferior f1 y la de corte superior
f2. Las tensiones fuera de este rango de frecuencias serán atenuadas y
serán menores al 70.7 % de la tensión de entrada. La frecuencia central
de este tipo de filtro se obtiene con la siguiente fórmula:
fo = 1 / [ 2πC x (R3R)1/2 ]
En un filtro común, la salida es de menor magnitud que la entrada.
En cambio, los filtros activos se componen de resistores, capacitores y
dispositivos activos como Amplificadores Operacionales o transistores.
En un filtro activo la salida puede ser de igual o de mayor magnitud que la
entrada.
Si se seleccionan los capacitores y resistores de modo que:
C1 = C2 = C y R1 = R2 = R
El ancho de banda será: BW = f2 - f1 = 1.41 R / [ CR3 (R3R)1/2 ]
El factor de calidad Q = fo / BW.
Las líneas discontinuas verticales sobre f1 y f2 y la línea horizontal del
70.7% representan la respuesta de un filtro pasa banda ideal.
Nota: F1 y f2 (frecuencias de corte) son puntos en la curva de
transferencia en que salida ha caído 3 dB (decibeles) desde su valor
máximo.
10. 11.Conversor de corriente a voltaje
El conversor de corriente a voltaje, se conoce también como Amplificador
de transimpedancia, llegada a este una corriente (Iin), la transforma en un
voltaje proporcional a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya
que está diseñado para trabajar con una fuente de corriente.
Con el resistor R como factor de proporcionalidad, la relación resultante
entre la corriente de entrada y el voltaje de salida es:
12.Función exponencial y logarítmica
El logaritmo y su función inversa, la función exponencial, son ejemplos
también de configuraciones no lineales, las cuales aprovechan el
funcionamiento exponencial del diodo, logrando una señal de salida
proporcional al logaritmo o a la función exponencial a la señal de entrada.
La señal de entrada, desarrollara una corriente proporcional al logaritmo
de su valor en el diodo en aproximación. Ello en conjunto con la
resistencia de salida R, la dependencia de la tensión de salida(Vout) como
producto de la tensión de entrada(Vin) es:
Los factores n y m, son factores de corrección, que se determinan por la
temperatura y de los parámetros de la ecuación del diodo.
Para lograr la potenciación, simplemente se necesita cambiar la posición
del diodo y de la resistencia, para dar lugar a una nueva ecuación, esta
ecuación también acompañada por los factores de corrección n y m,
11. muestra la siguiente dependencia de la tensión de salida con relación a la
de entrada:
En la práctica las realizaciones de estas funciones en un circuito son más
complicadas de construir, y en vez de usarse un diodo se usan
transistores bipolares, para minimizar cualquier efecto no deseado, como
es mayormente la temperatura donde se trabaja. No obstante, queda claro
que el principio de funcionamiento de la configuración queda inalterado.
En la realización de estos circuitos también podrían hacerse conexiones
múltiples, por ejemplo, en el amplificador antilogaritmico las
multiplicaciones son adiciones, mientras que, en el logarítmico, las
adiciones son multiplicaciones. A partir ello, por ejemplo, se podrían
realizar la combinación de dos amplificadores logarítmicos, seguidos de
un sumador, y a la salida, un antilogaritmico, con lo cual se habría logrado
un multiplicador analógico, en el cual la salida es el producto de las dos
tensiones de entrada.
13.Rectificadores
Un limitador o recortador es un circuito que, mediante el uso de
resistencias y diodos, permite eliminar tensiones que no nos interesen
para que no lleguen a un determinado punto de un circuito.
12. El amplificador operacional amplifica la porción de la señal que se
transmite, utilizando los limitadores discretos en el lazo de realimentación
del amplificador operacional, donde el amplificador proporciona el nivel de
comparación y el limitador determina los niveles de tensión de conducción
o no conducción, es decir, los niveles de la salida del comparador en cada
estado.
